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Apache Cassandra数据库的优缺点有哪些？
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本文将超越众所周知的一些细节，探讨与 Cassandra 相关的不太明显的细节。您将检查 Cassandra 数据模型、存储模式设计、架构，以及与 Cassandra 相关的潜在惊喜。
在数据库历史文章 “What Goes Around Comes Around”中，Michal Stonebraker 详细描述了存储技术是如何随着时间的推移而发展的。实现关系模型之前，开发人员曾尝试过其他模型，比如层次图和有向图。值得注意的是，基于 SQL 的关系模型（即使到现在也仍然是事实上的标准）已经盛行了大约 30 年。鉴于计算机科学的短暂历史及其快速发展的步伐，这是一项非凡的成就。关系模型建立已久，以至于许多年来，解决方案架构师很容易为应用程序选择数据存储。他们的选择总是关系数据库。
诸如增加系统、移动设备、扩展的用户在线状态、云计算和多核系统的用户群之类的开发已经导致产生越来越多的大型系统。Google 和 Amazon 之类的高科技公司都是首批触及规模问题的公司。他们很快就发现关系数据库并不足以支持大型系统。
为了避免这些挑战，Google 和 Amazon 提出了两个可供选择的解决方案：Big Table 和 Dynamo，他们可以由此放松关系数据模型提供的保证，从而实现更高的可扩展性。Eric Brewer 的 “CAP Theorem”后来官方化了这些观察结果。它宣称，对于可扩展性系统，一致性、可用性和分区容错性都是权衡因素，因为根本不可能构建包含所有这些属性的系统。不久之后，根据 Google 和 Amazon 早期的工作，以及所获得的对可扩展性系统的理解，计划创建一种新的存储系统。这些系统被命名为 “NoSQL” 系统。该名称最初的意思是 “如果想缩放就不要使用 SQL”，后来被重新定义为 “不只是 SQL”，意思是说，除了基于 SQL 的解决方案外，还有其他的解决方案。
有许多 NoSQL 系统，而且每一个系统都缓和或改变了关系模型的某些方面。值得注意的是，没有一个 NoSQL 解决方案适用于所有的场景。每一个解决方案都优于关系模型，且针对一些用例子集进行了缩放。我的早期文章 “在 Data Storage Haystack 中为您的应用程序寻找正确的数据解决方案” 讨论了如何使应用程序需求和 NoSQL 解决方案相匹配。
Apache Cassandra是其中一个最早也是最广泛使用的 NoSQL 解决方案。本文详细介绍了 Cassandra，并指出了一些首次使用 Cassandra 时不容易发现的细节和复杂之处。
Apache Cassandra
Cassandra 是一个 NoSQL 列族 (column family) 实现，使用由 Amazon Dynamo 引入的架构方面的特性来支持 Big Table 数据模型。Cassandra 的一些优势如下所示：
高度可扩展性和高度可用性，没有单点故障
NoSQL 列族实现
非常高的写入吞吐量和良好的读取吞吐量
类似 SQL 的查询语言（从 0.8 起），并通过二级索引支持搜索
可调节的一致性和对复制的支持
灵活的模式
这些优点很容易让人们推荐使用 Cassandra，但是，对于开发人员来说，至关重要的一点是要深入探究 Cassandra 的细节和复杂之处，从而掌握该程序的复杂性。
什么是列？
列 有点用词不当，使用名称单元格 很可能更容易理解一些。我会坚持使用列，因为这是一种习惯用法。
Cassandra 数据模型包括列、行、列族和密钥空间 (keyspace)。让我们逐一进行详细介绍它们。
•列：Cassandra 数据模型中最基本的单元，每一个列包括一个名称、一个值和一个时间戳。在本文的讨论中，我们忽略了时间戳，您可以将一个列表示为一个名称值对（例如 author="Asimov"）。
•行：用一个名称标记的列的集合。例如，清单 1 显示了如何表示一个行：
清单 1. 行的示例
"Second Foundation"- {
author="Asimov",
publishedDate="..",
tag1="sci-fi", tag2="Asimov"
}
Cassandra 包括许多存储节点，并且在单个存储节点内存储每一个行。在每一行内，Cassandra 总是存储按照列名称排序的列。使用这种排序顺序，Cassandra 支持切片查询，在该查询中，给定了一个行，用户可以检索属于给定的列名称范围内的列的子集。例如，范围 tag0 到 tag9999 内的切片查询会获得所有名称范围在 tag0 和 tag9999 内的列。
•列族：用一个名称标记的行的集合。清单 2 显示了样例数据的可能形式：
清单 2. 列族示例
Books-{
"Foundation"-{author="Asimov", publishedDate=".."},
"Second Foundation"-{author="Asimov", publishedDate=".."},
…
}
人们常说列族就像是关系模型中的一个表格。如下例所示，相似点将不复存在。
•密钥空间：许多列族共同形成的一个组。它只是列族的一个逻辑组合，并为名称提供独立的范围。
最后，超级列位于一个列族中，该列族对一个密钥下的多个列进行分组。正如开发人员不赞成使用超级列一样，在此，我对此也不作任何讨论。
Cassandra 与 RDBMS 数据模型
根据以上对 Cassandra 数据模型的描述，数据被放入每一个列族的二维 (2D) 空间中。要想在列族中检索数据，用户需要两个密钥：行名称和列名称。从这个意义上来说，尽管还存在多处至关重要的差异，关系模型和 Cassandra 仍然非常相似。
•关系列均匀分布在表中的所有行之间。数据项之间通常有明显的纵向关系，但这种情况并不适用于 Cassandra 列。这就是 Cassandra 使用各个数据项（列）来存储列名称的原因。
•有了关系模型，2D 数据空间就完整了。2D 空间内的每一个点至少应当拥有存储在此处的 null 值。另外，这种情况不适用于 Cassandra，Cassandra 可以拥有只包括少数项的行，而其他行可以拥有数百万个项。
•有了关系模型，就可以对模式进行预定义，而且在运行时不可以更改模式，而 Cassandra 允许用户在运行时更改模式。
•Cassandra 始终存储数据，这样就可以根据其名称对列进行排序。这使得使用切片查询在列中搜索数据变得很容易，但在行中搜索数据变得很困难，除非您使用的是保序分区程序。
•另一个重要差异是，RDMBS 中的列名称表示与数据有关的元数据，但绝不是数据。而在 Cassandra 中，列名称可以包括数据。因此，Cassandra 行可以拥有数百万个列，而关系模型通常只有数十个列。
•关系模型使用定义良好的不可变模式来支持复杂的查询，这些查询中包括 JOIN 和聚合等。使用关系模型，用户无需担心查询就可定义数据模式。Cassandra 不支持 JOIN 和大多数 SQL 搜索方法。因此，模式必须满足应用程序的查询要求。
1. 键值数据库
相关产品：Redis、Riak、SimpleDB、Chordless、Scalaris、Memcached
应用：内容缓存
优点：扩展性好、灵活性好、大量写操作时性能高
缺点：无法存储结构化信息、条件查询效率较低
使用者：百度云（Redis）、GitHub（Riak）、BestBuy（Riak）、Twitter（Ridis和Memcached）
2. 列族数据库
相关产品：BigTable、HBase、Cassandra、HadoopDB、GreenPlum、PNUTS
应用：分布式数据存储与管理
优点：查找速度快、可扩展性强、容易进行分布式扩展、复杂性低
使用者：Ebay（Cassandra）、Instagram（Cassandra）、NASA（Cassandra）、Facebook（HBase）
3. 文档数据库
相关产品：MongoDB、CouchDB、ThruDB、CloudKit、Perservere、Jackrabbit
应用：存储、索引并管理面向文档的数据或者类似的半结构化数据
优点：性能好、灵活性高、复杂性低、数据结构灵活
缺点：缺乏统一的查询语言
使用者：百度云数据库（MongoDB）、SAP（MongoDB）
4. 图形数据库
图形数据库-使用图作为数据模型来存储数据。
相关产品：Neo4J、OrientDB、InfoGrid、GraphDB
应用：大量复杂、互连接、低结构化的图结构场合，如社交网络、推荐系统等
优点：灵活性高、支持复杂的图形算法、可用于构建复杂的关系图谱
缺点：复杂性高、只能支持一定的数据规模
使用者：Adobe（Neo4J）、Cisco（Neo4J）、T-Mobile（Neo4J）
Membase Membase 是 NoSQL 家族的一个新的重量级的成员。Membase是开源项目，源代码采用了Apache2.0的使用许可。该项目托管在GitHub.Source tarballs上，可以下载beta版本的Linux二进制包。该产品主要是由North Scale的memcached核心团队成员开发完成，其中还包括Zynga和NHN这两个主要贡献者的工程师，这两个组织都是很大的在线游戏和社区网络空间的供应商。 Membase容易安装、操作，可以从单节点方便的扩展到集群，而且为memcached（有线协议的兼容性）实现了即插即用功能，在应用方面为开发者和经营者提供了一个比较低的门槛。做为缓存解决方案，Memcached已经在不同类型的领域（特别是大容量的Web应用）有了广泛的使用，其中 Memcached的部分基础代码被直接应用到了Membase服务器的前端。 通过兼容多种编程语言和框架，Membase具备了很好的复用性。在安装和配置方面，Membase提供了有效的图形化界面和编程接口，包括可配置 的告警信息。 Membase的目标是提供对外的线性扩展能力，包括为了增加集群容量，可以针对统一的节点进行复制。 另外，对存储的数据进行再分配仍然是必要的。 这方面的一个有趣的特性是NoSQL解决方案所承诺的可预测的性能，类准确性的延迟和吞吐量。通过如下方式可以获得上面提到的特性： ◆ 自动将在线数据迁移到低延迟的存储介质的技术（内存，固态硬盘，磁盘） ◆ 可选的写操作一一异步，同步（基于复制，持久化） ◆ 反向通道再平衡[未来考虑支持] ◆ 多线程低锁争用 ◆ 尽可能使用异步处理 ◆ 自动实现重复数据删除 ◆ 动态再平衡现有集群 ◆ 通过把数据复制到多个集群单元和支持快速失败转移来提供系统的高可用性。 MongoDB MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系数据库的。他支持的数据结构非常松散，是类似json的bjson格式，因此可以存储比较复杂的数据类型。Mongo最大的特点是他支持的查询语言非常强大，其语法有点类似于面向对象的查询语言，几乎可以实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，而且还支持对数据建立索引。它的特点是高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便。 主要功能特性： ◆ 面向集合存储，易存储对象类型的数据 “面向集合”（Collenction-Oriented），意思是数据被分组存储在数据集中，被称为一个集合（Collenction)。每个 集合在数据库中都有一个唯一的标识名，并且可以包含无限数目的文档。集合的概念类似关系型数据库（RDBMS）里的表（table），不同的是它不需要定 义任何模式（schema)。 ◆ 模式自由 模式自由（schema-free)，意味着对于存储在mongodb数据库中的文件，我们不需要知道它的任何结构定义。如果需要的话，你完全可以把不同结构的文件存储在同一个数据库里。 ◆支持动态查询 ◆支持完全索引，包含内部对象 ◆支持查询 ◆支持复制和故障恢复 ◆使用高效的二进制数据存储，包括大型对象（如视频等） ◆自动处理碎片，以支持云计算层次的扩展性 ◆支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多种语言 ◆文件存储格式为BSON（一种JSON的扩展） BSON（Binary Serialized document Format）存储形式是指：存储在集合中的文档，被存储为键-值对的形式。键用于唯一标识一个文档，为字符串类型，而值则可以是各种复杂的文件类型。 ◆可通过网络访问 MongoDB服务端可运行在Linux、Windows或OS X平台，支持32位和64位应用，默认端口为27017。推荐运行在64位平台，因为MongoDB在32位模式运行时支持的最大文件尺寸为2GB。 MongoDB把数据存储在文件中（默认路径为：/data/db），为提高效率使用内存映射文件进行管理。 Hypertable Hypertable是一个开源、高性能、可伸缩的数据库，它采用与Google的Bigtable相似的模型。在过去数年中，Google为在PC集群 上运行的可伸缩计算基础设施设计建造了三个关键部分。第一个关键的基础设施是Google File System（GFS），这是一个高可用的文件系统，提供了一个全局的命名空间。它通过跨机器（和跨机架）的文件数据复制来达到高可用性，并因此免受传统 文件存储系统无法避免的许多失败的影响，比如电源、内存和网络端口等失败。第二个基础设施是名为Map-Reduce的计算框架，它与GFS紧密协作，帮 助处理收集到的海量数据。第三个基础设施是Bigtable，它是传统数据库的替代。Bigtable让你可以通过一些主键来组织海量数据，并实现高效的 查询。Hypertable是Bigtable的一个开源实现，并且根据我们的想法进行了一些改进。 Apache Cassandra Apache Cassandra是一套开源分布式Key-Value存储系统。它最初由Facebook开发，用于储存特别大的数据。Facebook在使用此系统。 主要特性： ◆ 分布式 ◆ 基于column的结构化 ◆ 高伸展性 Cassandra的主要特点就是它不是一个数据库，而是由一堆数据库节点共同构成的一个分布式网络服务，对Cassandra 的一个写操作，会被复制到其他节点上去，对Cassandra的读操作，也会被路由到某个节点上面去读取。对于一个Cassandra群集来说，扩展性能 是比较简单的事情，只管在群集里面添加节点就可以了。 Cassandra是一个混合型的非关系的数据库，类似于Google的BigTable。其主要功能比 Dynomite（分布式的Key-Value存 储系统）更丰富，但支持度却不如文档存储MongoDB（介于关系数据库和非关系数据库之间的开源产品，是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系数据库 的。Cassandra最初由Facebook开发，后转变成了开源项目。它是一个网络社交云计算方面理想的数据库。以Amazon专有的完全分布式的Dynamo为基础，结合了Google BigTable基于列族（Column Family）的数据模型。P2P去中心化的存储。很多方面都可以称之为Dynamo 2.0。 CouchDB 所用语言： Erlang 特点：DB一致性，易于使用 使用许可： Apache 协议： HTTP/REST 双向数据复制，持续进行或临时处理，处理时带冲突检查，因此，采用的是master-master复制 MVCC – 写操作不阻塞读操作 可保存文件之前的版本 Crash-only（可靠的）设计 需要不时地进行数据压缩 视图：嵌入式 映射/减少 格式化视图：列表显示 支持进行服务器端文档验证 支持认证 根据变化实时更新 支持附件处理 因此， CouchApps（独立的 js应用程序） 需要 jQuery程序库 最佳应用场景：适用于数据变化较少，执行预定义查询，进行数据统计的应用程序。适用于需要提供数据版本支持的应用程序。 例如：CRM、CMS系统。 master-master复制对于多站点部署是非常有用的。 和其他数据库比较，其突出特点是： ◆ 模式灵活 ：使用Cassandra，像文档存储，你不必提前解决记录中的字段。你可以在系统运行时随意的添加或移除字段。这是一个惊人的效率提升，特别是在大型部 署上。 ◆ 真正的可扩展性 ：Cassandra是纯粹意义上的水平扩展。为给集群添加更多容量，可以指向另一台电脑。你不必重启任何进程，改变应用查询，或手动迁移任何数据。 ◆ 多数据中心识别 ：你可以调整你的节点布局来避免某一个数据中心起火，一个备用的数据中心将至少有每条记录的完全复制。 ◆ 范围查询 ：如果你不喜欢全部的键值查询，则可以设置键的范围来查询。 ◆ 列表数据结构 ：在混合模式可以将超级列添加到5维。对于每个用户的索引，这是非常方便的。 ◆ 分布式写操作 ：有可以在任何地方任何时间集中读或写任何数据。并且不会有任何单点失败。 问度娘，啥都有。